Які бувають накопичувачі енергії: види, переваги, типи батарей

Природа подарувала людині різноманітні джерела енергії: сонце, вітер, річки та інші. Недоліком цих генераторів безкоштовної енергії є відсутність стабільності. Тому в періоди надлишку енергії її запасають у накопичувачах і витрачають у періоди тимчасового спаду. Накопичувачі енергії характеризують такі параметри:

• обсяг запасної енергії;
• швидкість її накопичення і віддачі;
• питома щільність;
• терміни зберігання енергії;
• надійність;
• вартість виготовлення та обслуговування та інші.

Методів систематизації накопичувачів безліч. Одним з найзручніших є класифікація за типом енергії, що використовується в накопичувачі, і за способом її накопичення і віддачі. Накопичувачі енергії підрозділюються на такі основні види:

• механічні;
• теплові;
• електричні;
• хімічні.

Накопичення потенційної енергії

Суть цих пристроїв нехитра. При підйомі вантажу відбувається накопичення потенційної енергії, при опусканні вона здійснює корисну роботу. Особливості конструкції залежать від виду вантажу. Це може бути тверде тіло, рідина або сипуча речовина. Як правило, конструкції пристроїв цього типу гранично прості, звідси висока надійність і тривалий термін служби. Час зберігання запасеної енергії залежить від довговічності матеріалів і може досягати тисячоліть. На жаль, такі пристрої мають низьку питому енергоємність.

Механічні накопичувачі кінетичної енергії

У цих пристроях енергія зберігається в русі будь-якого тіла. Зазвичай це коливальний або поступальний рух.

Кінетична енергія в коливальних системах зосереджена в поворотно-поступальному русі тіла. Енергія подається і витрачається порціями, в такт з рухом тіла. Механізм досить складний і примхливий у налаштуванні. Широко використовується в механічному годиннику. Кількість запасної енергії зазвичай невелика і годиться тільки для роботи самого пристрою.

Накопичувачі, які використовують енергію гіроскопа

Запас кінетичної енергії зосереджений у обертовому маховику. Питома енергія маховика значно перевершує енергію аналогічного статичного вантажу. Є можливість в короткий проміжок часу проводити прийом або віддачу значної потужності. Час зберігання енергії невеликий, і для більшості конструкцій обмежено кількома годинами. Сучасні технології дозволяють довести час зберігання енергії до декількох місяців. Маховики дуже чутливі до струсів. Енергія пристрою знаходиться в прямій залежності від швидкості його обертання. Тому в процесі накопичення і віддачі енергії відбувається зміна швидкості обертання маховика. А для навантаження, як правило, потрібна постійна, невисока швидкість обертання.

Більш перспективними пристроями є супермаховики. Їх виготовляють зі сталевої стрічки, синтетичного волокна або дроту. Конструкція може бути щільною або мати порожній простір. При наявності вільного місця витки стрічки переміщуються до периферії обертання, момент інерції маховика змінюється, частина енергії запасається в деформації пружині. У таких пристроях швидкість обертання більш стабільна, ніж у цільнотілих конструкціях, а їх енергоємність набагато вища. Крім того, вони більш безпечні.

Сучасні супермаховики виготовляють з кевларового волокна. Вони обертаються у вакуумній камері на магнітному підвісі. Здатні зберігати енергію кілька місяців.

Механічні накопичувачі, що використовують сили пружності

Цей тип пристроїв здатний запасати величезну питому енергію. З механічних накопичувачів він володіє найбільшою енергоємністю для пристроїв з габаритами в кілька сантиметрів. Великі маховики з дуже високою швидкістю обертання мають набагато більшу енергоємність, але вони дуже вразливі від зовнішніх факторів і мають менший час зберігання енергії.

Механічні накопичувачі, які використовують енергію пружини

Здатні забезпечити найбільшу механічну потужність з усіх класів накопичувачів енергії. Вона обмежена лише межею міцності пружини. Енергія в стислій пружині може зберігатися кілька десятиліть. Однак через постійну деформацію в металі накопичується втома, і ємність пружини знижується. Водночас високоякісні сталеві пружини при дотриманні умов експлуатації можуть працювати сотні років без відчутної втрати ємності.

Функції пружини можуть виконувати будь-які пружні елементи. Гумові джгути, наприклад, в десятки разів перевершують сталеві вироби по запасній енергії на одиницю маси. Але термін служби гуми через хімічне старіння становить лише кілька років.

Механічні накопичувачі, які використовують енергію стиснених газів

У цьому типі пристроїв накопичення енергії відбувається за рахунок стиснення газу. За наявності надлишку енергії газ за допомогою компресора закачується під тиском у балон. У міру необхідності стислий газ використовується для обертання турбіни або електрогенератора. При невеликих потужностях замість турбіни доцільно використовувати поршневий мотор. Газ в ємності під тиском в сотні атмосфер володіє високою питомою щільністю енергії протягом декількох років, а при наявності якісної арматури — і десятки років.

Накопичення теплової енергії

Велика частина території нашої країни розташована в північних районах, тому значна частина енергії вимушено витрачається для обігріву. У зв’язку з цим доводиться регулярно вирішувати проблему збереження тепла в накопичувачі і вилучення його звідти при необхідності.

У більшості випадків не вдається досягти високої щільності запасної теплової енергії і скільки-небудь значних термінів її збереження. Існуючі ефективні пристрої в силу ряду своїх особливостей і високої ціни не підходять для широкого застосування.

Накопичення за рахунок теплоємності

Це один з найдавніших способів. В його основі лежить принцип накопичення теплової енергії при нагріванні речовини і віддачі тепла при її охолодженні. Конструкція таких накопичувачів надзвичайно проста. Їм може бути шматок будь-якої твердої речовини або закрита ємність з рідким теплоносієм. Накопичувачі теплової енергії мають дуже великий термін служби, практично необмежену кількість циклів накопичення і віддачі енергії. Але час зберігання не перевищує декількох діб.

Акумулювання електричної енергії

Електрична енергія — це найзручніша її форма в сучасному світі. Саме тому електричні накопичувачі набули широкого поширення і найбільшого розвитку. На жаль, питома ємність дешевих апаратів невелика, а прилади з великою питомою ємністю занадто дороги і недовговічні. Накопичувачі електричної енергії — це конденсатори, іоністори, акумулятори.

Конденсатори

Це наймасовіший вид накопичувачів енергії. Конденсатори здатні працювати при температурі від -50 до + 150 градусів. Кількість циклів накопичення-віддачі енергії — десятки мільярдів на секунду. З’єднуючи кілька конденсаторів паралельно, можна легко отримати ємність необхідної величини. Крім того, існують змінні конденсатори. Зміна ємності таких конденсаторів може проводитися механічним або електричним способом або впливом температури. Найчастіше змінні конденсатори можна зустріти в коливальних контурах.

Конденсатори діляться на два класи — полярні і неполярні. Термін служби полярних (електролітичних) менший, ніж неполярних, вони більше залежать від зовнішніх умов, але водночас мають більшу питому ємність.

Як накопичувачі енергії конденсатори — не дуже вдалі прилади. Вони мають малу ємність і незначну питому щільність запасної енергії, а час її зберігання обчислюється секундами, хвилинами, рідко годинами. Конденсатори знайшли застосування в основному в електроніці та силовій електротехніці.

Розрахунок конденсатора, як правило, не викликає труднощів. Вся необхідна інформація по різних типах конденсаторів представлена в технічних довідниках.

Іоністори

Ці прилади займають проміжне місце між полярними конденсаторами та акумуляторами. Іноді їх називають «суперконденсаторами». Відповідно, вони мають величезну кількість етапів заряду-розряду, ємність більша, ніж у конденсаторів, але трохи менша, ніж у невеликих акумуляторів. Час зберігання енергії — до декількох тижнів. Іоністори дуже чутливі до температури.

Силові акумулятори

Електрохімічні акумулятори використовуються, якщо потрібно запасати досить багато енергії. Найкраще для цієї мети підходять свинцево-кислотні прилади. Їх винайшли близько 150 років тому. І відтоді в пристрій акумулятора не внесли нічого принципово нового. З’явилося багато спеціалізованих моделей, значно зросла якість комплектуючих виробів, підвищилася надійність акумуляторної батареї. Примітно, що пристрій акумулятора, створеного різними виробниками, для різних цілей відрізняється лише в незначних деталях.

Електрохімічні акумулятори підрозділюються на тягові та стартові. Тягові використовуються в електротранспорті, джерелах безперебійного живлення, електроінструментах. Для таких акумуляторів характерні тривалий рівномірний розряд і велика його глибина. Стартові акумулятори можуть видати великий струм у короткий проміжок часу, але глибокий розряд для них неприпустимий.

Електрохімічні акумулятори мають обмежену кількість циклів заряду-розряду, в середньому від 250 до 2000. Навіть за відсутності експлуатації через кілька років вони виходять з ладу. Електрохімічні акумулятори чутливі до температури, потребують тривалого часу заряду і суворого дотримання правил експлуатації.

Прилад необхідно періодично підзаряджати. Заряд акумулятора, встановленого на транспортний засіб, проводиться в русі від генератора. У зимовий час цього недостатньо, холодна батарея погано приймає заряд, а споживання електроенергії на запуск двигуна зростає. Тому необхідно додатково проводити заряд акумулятора в теплому приміщенні спеціальним зарядним пристроєм. Одним з істотних недоліків свинцево-кислотних приладів є їх велика вага.

Акумулятори для малопотужних пристроїв

Якщо потрібні мобільні пристрої з малою вагою, то вибирають такі типи акумуляторів: нікель-кадмієві, літій-іонні, метал-гібридні, полімер-іонні. У них вища питома ємність, але і ціна багато більше. Їх застосовують у мобільних телефонах, ноутбуках, фотоапаратах, відеокамерах та інших малогабаритних пристроях. Різні типи акумуляторів відрізняються своїми параметрами: кількістю циклів зарядки, терміном зберігання, ємністю, розміром тощо.

Літій-іонні акумулятори великої потужності застосовують в електромобілях і гібридних машинах. Вони мають невелику вагу, велику питому ємність і високу надійність. Водночас літій-іонні акумулятори дуже пожежонебезпечні. Займання може статися від короткого замикання, механічної деформації або руйнування корпусу, порушень режимів заряду або розряду акумулятора. Загасити пожежу досить важко через високу активність літію.

Акумулятори є основою багатьох приладів. Наприклад, накопичувач енергії для телефону — це компактний зовнішній акумулятор, поміщений у міцний, вологозахищений корпус. Він дозволяє зарядити або живити стільниковий телефон. Потужні мобільні накопичувачі енергії здатні заряджати будь-які цифрові апарати, навіть ноутбуки. У таких пристроях встановлюють, як правило, літій-іонні акумулятори великої ємності. Накопичувачі енергії для будинку також не обходяться без акумуляторних батарей. Але це набагато складніші пристрої. Крім акумулятора до їх складу входять зарядний пристрій, система управління, інвертор. Апарати можуть працювати як від стаціонарної мережі, так і від інших джерел. Вихідна потужність в середньому становить 5 кВт.

Накопичувачі хімічної енергії

Розрізняють «паливні» і «безпаливні» типи накопичувачів. Для них потрібні спеціальні технології і нерідко громіздке високотехнологічне обладнання. Використовувані процеси дозволяють отримувати енергію в різних видах. Термохімічні реакції можуть проходити як при низькій, так і при високій температурі. Компоненти для високотемпáних реакцій вводять тільки тоді, коли необхідно отримати енергію. До цього їх зберігають окремо, в різних місцях. Компоненти для низькотемпáних реакцій зазвичай знаходяться в одній ємності.

Накопичення енергії напрацюванням палива

Цей спосіб включає два абсолютно незалежних етапи: накопичення енергії («зарядка») і її використання («розрядка»). Традиційне паливо, як правило, володіє великою питомою ємністю енергії, можливістю тривалого зберігання, зручністю використання. Але життя не стоїть на місці. Впровадження нових технологій пред’являє підвищені вимоги до палива. Завдання вирішується шляхом поліпшення існуючих і створення нових, високоенергетичних видів палива.

Широкому впровадженню нових зразків перешкоджає недостатня відпрацьованість технологічних процесів, велика пожежна — і вибухонебезпека в роботі, необхідність висококваліфікованого персоналу, висока вартість технології.

Безпаливне хімічне накопичення енергії

У цьому виді накопичувачів енергія запасається за рахунок перетворення одних хімічних речовин в інші. Наприклад, гашена вапна при нагріванні переходить в негашений стан. При «розрядці» «запасена енергія виділяється у вигляді тепла і газу. Саме так відбувається при гасінні вапном водою. Для того щоб реакція почалася, зазвичай достатньо з’єднати компоненти. По суті, це вид термохімічної реакції, тільки протікає вона при температурі в сотні і тисячі градусів. Тому використовуване обладнання набагато складніше і дорожче.